APP下载

面向装配的民用飞机设计制造一体化应用研究

2021-04-08史肖飞王辉

航空科学技术 2021年2期
关键词:模块化设计装配成熟度

史肖飞 王辉

摘要:本文通过面向装配的模块划分技术、MBD设计技术和模块成熟度技术的应用,探讨解决现有飞机研制中暴露的设计与制造分离的问题,提出面向装配的民用飞机设计制造一体化设计,使制造单位的工艺提前介入产品设计,在模块划分时充分考虑可装配性、在模块MBD定义时完整定义工艺信息、在模块成熟度提升时进行工艺审查,实现设计与工艺的并行;并构建设计与制造统一的工程数据平台和协同设计环境,充分发挥模块化设计和模块化制造的优势,提升飞机设计制造效率和质量,缩短研制周期。

关键词:民用飞机;设计制造一体化;模块化设计;装配;成熟度

中图分类号:V221文献标识码:ADOI:10.19452/j.issn1007-5453.2021.02.008

民用飞机研制是一项非常复杂、高度综合的系统工程,研制时间漫长,专业覆盖面广,产品数据庞大。在国内民用飞机研制中,长期以来存在着研发单位和制造单位的分离局面,导致产品、工艺、工装、生产和检验等方面不能有效协同和融合[1]。如何解决产品设计完成之后,由研发单位将产品设计模型发放给制造单位,再由制造单位依据产品设计模型进行工艺装配的串行研制,从而导致产品研制周期加长的问题;当产品设计模型发生更改时,研发单位需要将新的产品设计模型发放给制造单位,由于更改过程中工艺协调不到位,模型更改数据的传递和贯彻不及时,造成设计制造协调困难,出现返工现象严重,影响飞机研制的进度和质量,给飞机带来研制周期的延长和研制成本的增加。上述两个问题,已成为影响我国民用飞机设计制造技术发展的重要瓶颈[2-3]。

为了解决好上述问题,提高飞机的研制效率和质量,降低飞机的研制成本,通过对民用飞机研制过程中存在问题的梳理与研究,借鉴国外民用飞机研制经验,在民用飞机研发过程中,引入设计制造一体化研发理念,优化模块划分技术,完善基于模型的定义(model based definition,MBD)设计技术和模块成熟度技术,使制造工艺设计、工装设计与产品设计并行开展;采用设计制造一体化的更改请求(requests for change, RFC)协同更改模式,减少研发过程中的设计反复和制造重复,缩短研制周期,实现产品构型状态的一致性、可控性和可追溯性。同时确保更改数据能够及时、正确地贯彻到产品上,建立完整、有效、实时的设计与制造统一的产品数据源,实现真正意义上的面向装配的设计制造一体化协同。

1设计制造一体化的目的和意义

我国早期的飞机研制是在苏联飞机设计和制造的模式上发展起来的,设计工作由飞机研发单位承担,飞机的零部件制造和总装集成由飞机制造单位来完成。虽然分工明确,责任清晰,但协调关系复杂,研制过程中由于各种协调问题造成的反复和返工非常常见,导致飞机研制中技术协调路径狭长,技术决策迟滞,严重影响飞机的研制进度和研制质量。随着新的设计理念和手段的提升,特别是数字化设计工具的使用,在一定程度上提高了设计协调和技术决策的效率,但还是没有真正解决设计与制造的瓶颈问题。

为了彻底解决设计与制造之间的技术瓶颈,提高飞机研制质量,缩短研制周期,在充分分析现有研制模式的基础上,以精益的思想,构建设计制造一体化并行协同工作机制,打破以往的分工界面,优化研制流程,初步建立了民用飞机设计制造一体化研制体系和研制模式,最大限度发挥并行协同的效益。

飞机设计制造一体化是指应用并行工程、协同设计制造的理念,以数字化信息技术对传统的飞机研制模式进行改造,构建产品的协同设计、协同制造环境,共享唯一数据源,过程可控可追溯,以实现缩短研制周期、节省研制成本、提升产品质量的最终目的[4]。本文应用研究的主要内容如下:

(1)面向装配的模块划分技术

充分考虑制造分离面的划分和制造的组装工序,避免模块或零组件的拆分和再次组合,使设计、工艺、生产制造、成本核算、人工时统计等围绕同一个模块开展工作。

(2)面向装配的MBD设计技术

充分考虑生产制造的装配工艺、工装需求,利用MBD设计技术,确保设计与工艺、工装数据的唯一性和准确性。

(3)面向装配的模块成熟度技术

在产品设计初期的模块设计不断优化、不断成熟的过程中,全面考虑工艺需求和装配工序,应用模块成熟度技术,减少迭代,充分发挥设计与制造并行工作优势。

2面向装配的模块划分技术应用研究

2.1模块化设计的需求来源

模块化设计就是按照功能特性将飞机产品结构划分为一个个相对独立的构型项,并以设计模块为单元组织具体的零部件或相关信息来实现构型项所规定的要求。模块化设计的需求来源如下[5]:(1)客户需求:安全和可靠性需求、系列化和多样化需求、交付周期和准时交付的需求、降低全寿命成本的需求、维修性需求等。(2)公司商业利益的需求:上市时间和产品交付周期要求,扩大可重用性,加速新产品开发,增加客户满意度,达到商业上的成功。(3)工业化需求:适应大规模装配生产的需要,降低成本,减少错误和返工,提高产品装配质量,提高一次成功率。

2.2模块化划分的原则及考虑因素

以往的设计模块划分主要由设计人员负责完成。在实际型号应用中,站在设计人员角度,往往只考虑了产品功能独立性、模块颗粒度适中性、设计重用性、数据唯一性和完整性等因素,而沒有考虑工装工艺的设计需求,没有考虑生产制造的加工需求,仅仅保证了设计功能模块的完整性。这样容易造成研发单位发放到制造单位的设计模块,不能直接应用到工装工艺的设计工作中,还需通过拆分和重组设计模块,才能开展工装工艺设计工作,造成了型号周期的浪费和设计制造迭代的反复。

涡桨支线飞机研制中采用了面向装配的模块划分技术,设计制造均以设计模块作为最小工作单元,围绕同一个产品结构树构建制造装配结构树。在设计人员进行设计模块划分时,邀请制造单位的工艺设计人员提前介入,充分考虑工艺可实现性和制造方便性,避免设计模块在制造端被拆散重组;尽量保留设计模块的完整性和在制造工艺中的一致性。

通过这种面向装配的模块划分技术应用研究,将模块化理念融入飞机设计、制造和构型管理中,实现同一产品研制过程的各子模块的并行设计与生产制造。既减少了设计工作量,又降低了技术错误的重复出现率,也提升了功能部件的互换性、维修性和生产性,使工艺和生产管理简化、方便[6]。

在涡桨支线飞机研制过程中,按自上而下的方法,逐级建立了飞机产品各层级的产品结构,使产品的构型管理从零散的零件管理提升到模块化数据管理,解决了制造工艺设计重新拆分和组织设计模块的难题,使串行工作模式转变为并行协同工作模式,充分体现了模块化设计和模块化制造的优势,使制造装配工艺更为简单,设计制造符合性追溯更为清晰,为后续产品的制造奠定了基础。具体体现在以下方面:(1)通过模块化设计,可以提高产品数据的重用性,加快系列化和个性化产品的开发;(2)推行先进的模块化生产和装配模式,缩短交付周期,降低成本;有利于产品的维修性和客户增值服务;(3)有利于进行接口定义,通过建立部件交付规范,形成真正的主制造商—供应商模式的研制体系。

面向装配的模块化设计使产品研制主线实现了唯一数据源的产品信息,为打通产品数据设计与工艺、产品与工装、产品与供应链、产品与质量管控、产品与服务保障等系列相关的协同工作奠定了基础,形成了基于物料清单(bill of material,BOM)的数据传递模式,如图1所示。

3面向装配的MBD设计技术应用研究

MBD设计技术就是在全三维设计环境下,定义飞机产品特征树上零件、装配件的材料描述、模型属性、加工方法、工程注释、连接定义等非几何信息。它将三维设计信息、三维制造信息和产品管理信息共同定义到产品的三维数字化模型中,使制造单位以三维数字化模型为依据,开展工艺和工装设计,以及后续的制造、装配和检验等工作[7]。

但是在实际型号应用中,由于国内长期存在研发单位和制造单位分离的实际现状,每个型号又都有自己的特点,在MBD设计技术应用的过程中,由于MBD设计技术标准不够完整,定义的设计、工艺、工装、检验等数据不够规范,往往表现出来的是对工作内容定义不清、设计与工艺的关联度弱、对设计与工艺的并行理解有所欠缺等问题,导致推诿扯皮和界面不清的现象常有发生,影响型号工作的有序推进。为解决和规避以上现象和问题,在涡桨支线飞机研制中,从MBD设计标准升级和设计模型标准化自动审核两个方面开展研究。

3.1 MBD设计标准升级研究

近年来,随着MBD设计技术的不断推进,三维建模技术得到发展,相关的三维建模标准相继发布。但对制造信息的MBD技术还只是对原来二维图样上制造信息的照搬,基本没有考虑设计制造一体化的问题。虽然在三维数模中包含了制造信息,但如何将制造信息有效、准确、快速传递给制造部门,还停留在二维图样的水平,MBD技术的作用还没有真正发挥出来。

针对上述问题,结合涡桨支线飞机型号研制,开展了基于MBD的设计制造一体化标准规范研究,对材料信息、工艺加工方法标注,装配、连接信息、密封信息等工艺元素信息标注,工程注释标注等MBD設计标准进行了升级完善。

首先,将上述制造信息按照技术标准和飞机型号需求进行梳理,按照MBD技术要求进行标准化和结构化处理,建立基于MBD技术的材料信息标准库、工艺加工方法标准库和工程注释标准库。其次,基于现有的CATIA设计平台,制定制造信息MBD三维标注使用标准,指导设计和工艺人员开展制造信息的MBD设计建模工作,保证制造信息的正确性。最后,对MBD模型三维标注进行了规范,明确了三维标注的几何信息和非几何信息内容。几何信息除了在三维实体上标注外,特征树上还自动生成相应节点;非几何信息直接标注在特征树上。建模过程在特征树自动生成的节点,如外部参考、过程元素、复合参数、钣金参数等不属于三维标注信息,形成模型三维标注的规范特征树。零件和装配件的特征树信息如图2所示。

3.2 MBD制造信息的审核研究

为保证三维设计数模设计制造信息的完整性,制定了三维设计数模的设计制造信息审核标准,并开发三维数模并行审核程序,在模型建模过程中和结束后,分阶段对设计数模的设计信息/制造信息完整性和正确性进行审查,确保相关信息正确完整,并可被系统识别和提取,使设计人员与工艺人员在设计制造统一的协同平台数字化协同环境(digital collaboration environment,DCE)上形成基于唯一数据源厂所一体化协同研制模式,提升并行程度,为后续制造工作的快捷性奠定基础。

开展面向装配的MBD设计技术应用研究,在产品设计阶段,制造工艺设计人员提前介入产品设计工作,以设计模块为最小构型管理单元,对模块中零组件三维数模结构、可制造性、材料信息、标注等进行并行审查,确定零组件的可加工性。当产品数模不利于加工工艺实现或者存在明显设计缺陷时,工艺人员可与设计人员在线交流,围绕零件的工艺性、结构符合性、设计初始意图进行在线研讨,在满足设计要求的同时,尽量使产品便于机械加工与检测,在产品数模正式发布前完成预审查[8]。

在DCE平台上,将工艺设计所需要的信息与产品设计人员进行充分沟通和确认,由产品设计人员在进行模型设计时,一方面将反映产品材料信息、加工方法、模型属性、工程注释等设计元素信息定义在设计模块(design module,DM)中;另一方面将反映产品的装配、连接信息、密封信息、版次信息等工艺元素信息定义在R-DM模块中。从而实现工艺设计与产品设计数据协同,解决了以往设计定义信息与工装工艺需求不一致问题,提高了产品的可制造性、可装配性和维修性。

4面向装配的模块成熟度技术应用研究

三维模型成熟度技术在很多型号中得到了应用,但是往往表现出设计与制造脱离的现象。

由于研发单位和制造单位的分离,研发单位有研发平台,制造单位有制造平台,数据平台不统一,并没有真正将工艺并行工作提前到产品初步设计阶段。只有当设计模型具备一定成熟度后,通过设计模型的数据发放,制造单位的工装工艺设计人员才能看到设计人员的成熟模型,如果发现制造装配性差、工艺实现难的情况,只能拒回研发单位的设计,由设计完善后再次发放设计模型。这样型号研制效率低下,设计反复周期长,影响制造单位的开工生产。

分析其原因,主要是设计人员在进行模型设计时,仅仅使用模型成熟度来表达自己设计的三维模型的成熟过程,而对设计模型的可制造性考虑较少,没有将可制造性纳入模型的成熟度评估范围。为解决这个问题,应从以下两方面提出解决方案。

4.1优化现有的三维设计模块成熟度评判标准

飞机设计模块的成熟度一般定义7级(MM1~MM7),其中,MM1~MM3属于二级数字样机阶段,MM4~MM7属于三级数字样机阶段。各级成熟度标识与设计模块状态一一建立了对应关系,具体见表1。

在上述的飞机产品设计中,各级成熟度判定标准的定义偏重设计与设计之间的协调,对制造、工艺、装配信息的考虑较少,通过模块成熟度的控制没有能够解决制造工程中发现的设计问题。

在涡桨支线飞机的研制中,针对以往飞机研制中出现的问题,结合飞机研制阶段及项目研制里程碑计划,基于模块化设计对成熟度评判标准进行了研究,完善和补充了对制造信息的成熟度考虑因素,对相应的模块成熟度等级定义了设计与设计、设计与工艺协同工作的内容及要求,制定了包含制造信息要素的模块成熟度评判标准。模块成熟度设计制造并行工作的内容如图3所示。

4.2基于统一成熟度标准的设计制造协同工作

为保证飞机数据的准确性和一致性,涡桨支线飞机以设计模块为单一产品数据源,构建了一个面向产品全生命周期的数据管理平台,将传统的工程物料清单(engineering bill of material,EBOM)向工艺物料清单(process bill of material,PBOM)重构的工艺规划模式转化为EBOM/ PBOM融合定义,共用底层结构数据,解决了过去在BOM重构过程中出现的差错,为下游制造提供了符合要求的、一致的物料清单[9]。

设计人员和工艺人员依据成熟度开展产品设计、工艺审查、工艺路线定义、工艺派生件设计、装配工装设计等工作,在工艺可行性审查阶段完成工艺路线的定义,实现从基于数据发送接收的串行模式转向设计制造一体化并行模式。

涡桨支线飞机基于完整的全机结构化设计数据,构建自顶向下消耗式全机装配数据制造物料清单(manufacturing bill of material,MBOM)。实现了设计CI-CS-DM的消耗、设计DM-零组件的消耗、设计零组件-零件的消耗,确保设计数据的完整性、准确性和一致性,充分体现了模块化设计和模块化制造的優势,使制造装配工艺更为简单清晰。

在产品设计的模块成熟度阶段,利用统一的服务器与数据库,通过模块成熟度提升流程控制和工艺可行性审查确认环节,规范成熟度数据审签及工艺预审查的审签流程,指导设计、工艺及相关审核、批准人员进行数据的审签工作,实现产品设计与制造工艺的协同设计和数据发放的有效管控。

设计制造的一体化协同工作,使得在产品设计阶段及早发现并解决工艺性问题,减少后期的设计更改,提升产品的可制造性,也使得工艺审查和设计提前到产品初步设计阶段,显著提升设计制造的并行程度,提高设计到工艺的工作效率,大大缩短了设计到制造的研制周期。

5结束语

通过对基于模块化的民用飞机设计制造一体化应用深入研究,提炼出面向装配的模块化划分原则和方法,建立了面向装配的设计制造一体化MBD设计标准规范,完善了面向装配的设计模块成熟度评判标准,实现了设计与制造的并行协同,并通过了型号验证。

该技术在现有型号民用飞机上得到了应用,结果表明,面向装配的民用飞机设计制造一体化技术的应用可以提高设计与工艺、工装的协同设计优势,缩短了民用飞机的研制周期,为国内民用飞机的更快发展奠定基础。

参考文献

[1]范玉青,梅中义,陶剑.大型飞机数字化制造工程[M].北京:航空工业出版社,2011. Fan Yuqing, Mei Zhongyi, Tao Jian. Large aircraft digital manufacturing engineering[M]. Beijing: Aviation Industry Press, 2011.(in Chinese)

[2]党卫兵,徐增光,郑丹力,等.基于MBD的航天设计制造一体化研究与应用[J].空天防御,2018,1(3):38-43. Dang Weibing, Xu Zengguang, Zheng Danli, et al. Research and application of aerospace design and manufacturing integration based on MBD[J]. Air & Space Defense,2018,1(3): 38-43.(in Chinese)

[3]孙聪.飞机全三维快速响应试制应用技术[J].航空科学技术, 2013,22(2):1-6.Sun Cong. Entire 3D and quick response trial-manufacture technology for aircraft[J]. Aeronautical Science & Technology, 2013,22(2):1-6.(in Chinese)

[4]吕北生,王征,杨修茂,等.面向飞机设计制造一体化成熟度管控技术[J].机械设计与制造,2017(12):262-268. Lv Beisheng, Wang Zheng, Yang Xiumao, et al. A research on the technology of maturity control for integration of aircraft design and manufacturing[J].Machinery Design & Manufacture, 2017(12):262-268.(in Chinese)

[5]王庆林.基于系统工程的飞机构型管理[M].上海:上海科学技术出版社,2017. Wang Qinglin. Aircraft configuration management based on system engineering[M]. Shanghai: Shanghai Scientific & Technical Publishers, 2017.(in Chinese)

[6]王哲.現代飞飞机机体结构模块化设计技术研究[J].航空科学技术,2011,20(2):73-74. Wang Zhe. Study on modern aircraft fuselage structure module design[J].Aeronautical Science & Technology,2011,20(2):73-74.(in Chinese)

[7]白永红,梁可,周盛,等.基于MBD的飞机设计制造协同技术探讨[J].航空制造技术,2015(18):42-43. Bai Yonghong, Liang Ke, Zhou Sheng, et al. Research on the collaborative technology of aircraft design and manufacturing based on MBD [J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2015(18):42-43.(in Chinese)

[8]张石磊,刘俊堂.一种高效的产品与工艺并行设计模式[J].航空科学技术,2017,28(3):65-68. Zhang Shilei, Liu Juntang. An efficient concurrent design model for product and manufacturing process[J].Aeronautical Science & Technology,2017,28(3):65-68.(in Chinese)

[9]邹宁,王淑芳,杜圣超.飞机研制中的产品数据管理研究[J].航空科学技术,2017,28(2):43-48. Zou Ning, Wang Shufang, Du Shengchao. Research on product data management in aircraft development[J]. Aeronautical Science & Technology,2017,28(2):43-48.(in Chinese)

(责任编辑王为)

作者简介

史肖飞(1979-)男,硕士,高级工程师。主要研究方向:飞机总体设计。

Tel:13519167560

E-mail:leight108@163.com

Research on Civil Aircraft Design and Manufacturing Integration for Assembly

Shi Xiaofei*,Wang Hui

AVIC Xifei Civil Aircraft Co.,Ltd.,Xian 710089,China

Abstract: Through the application of module division technology, MBD design technology and module maturity technology, this paper discusses and solves the problem of separation of design and manufacturing exposed in the development of existing aircraft, and puts forward research on civil aircraft design and manufacturing integration for assembly, which enables the process of manufacturing units to intervene in product design in advance, and fully considers the assembly ability in module division and the determination in module MBD fully defines the process information, conducts process review when the module maturity is improved, and realizes the parallel of design and process. It also constructs a unified engineering data platform and collaborative design environment for design and manufacturing, gives full play to the advantages of modular design and modular manufacturing, improves the efficiency and quality of aircraft design and manufacturing, and shortens the development cycle.

Key Words: civil aircraft; design and manufacturing integration; module design; assembly; maturity

猜你喜欢

模块化设计装配成熟度
刚好够吃6天的香蕉
汽车装配工艺模块化设计研究
留叶数和成熟度影响雪茄烟叶品质
浅谈机械装配过程中的自动化
凝结水泵无法盘车故障分析与处理
LED车内氛围灯设计
电子装配技能操作中的技巧运用
过山车中心轴装配新方案
基于.NET的教务信息内容管理系统的研究与实现
激光可精确检测水果成熟度